在过去的20年里，许多现代光谱学家选择的光谱仪的要求已经从光谱仪新颖性转变为微型光纤光谱仪。人们正在意识到他们的小尺寸和与大量的采样配件的兼容性所提供的先进的实用性和灵活性。

一旦光线进入探测器，光子就会被转换成电子，并通过USB(或串行口)向计算机读出。然后，该软件根据探测器的像素数目和衍射光栅的线性色散来插入信号，从而建立一个标定，使数据被绘制成一个波长在给定光谱范围内的函数。这些数据可以被用于无数的光谱应用，其中一些将在稍后讨论。

在下面的部分中，我们将解释一个分光计的内部工作原理，以及所有组件如何协同工作以达到预期的结果，因此无论您的应用程序是什么，您都知道要寻找什么。我们将首先单独讨论每个组件，以便您充分了解它们在光谱仪工作中的作用，然后我们将讨论这些组件可能的各种配置，以及它们为什么具有不同的功能。我们甚至会接触一些用于使您的应用程序尽可能成功的附件。

概述

分光仪是一种成像系统，它将入口狭缝的多个单色图像映射到检测器平面上。这个狭缝对光谱仪的性能至关重要，它决定了进入光学工作台的光量(光子通量)，是决定光谱分辨率的驱动力。其他因素包括光栅、沟槽频率和探测器像素大小。

光谱仪使用最常见的裂缝是10、25、50、100和200 μm。对于光纤用于输入光耦合的系统，光纤束与入口缝隙(堆叠光纤)的形状相匹配，可以提高耦合效率和系统通光效率。

技术详情

入口狭缝的功能是为光学工作台定义一个明确的物体。入口缝隙的大小(宽度(Ws)和高度(Hs))是影响光谱仪通光效率的主要因素之一。入口狭缝的图像宽度是决定光谱仪的光谱分辨率的关键因素，当它大于探测器阵列的像素宽度时。通过选择合适的入口缝隙宽度，平衡系统的通光效率和分辨率。

W2×W2+W2) 其中M为光学工作台的放大倍数，由聚焦镜的焦距(透镜)与准直镜(透镜)相比，而Ws则是入口缝隙的宽度，而Wo则是由光具座引起的图像展宽。对于一个CZ光学工作台，Wo的顺序是几十微米。因此，降低入口狭缝的宽度，无助于提高系统的分辨率。轴向透射光台提供了更小的Wo。因此，它可以实现更高的光谱分辨率。光谱分辨率的另一个限制是由阵列探测器的像素宽度(Wp)设定的。在Wp下还原Wi不会有助于提高光谱仪的分辨率。

在满足分辨率要求的条件下，狭缝宽度应尽可能宽，以提高光谱仪的通光效率。

光谱仪的衍射光栅决定了波长范围，并部分决定了光谱仪所能达到的光学分辨率。选择正确的光栅是优化光谱仪获得最佳光谱结果的关键因素。光栅将会影响你的光学分辨率和特定波长范围的最大效率。光栅可以分为两部分:凹槽频率和闪耀角，在下面的部分中进一步解释

虽然受控制的光栅是简单和不昂贵的光栅制造，但它们表现出更多的杂散光。这是由于在凹槽表面缺陷和其他错误造成的。因此，对于光谱应用(如紫外光谱学)来说，探测器响应较差，光学元件损失更大，一般选用全息光栅来提高光谱仪的杂散光性能。全息光栅的另一个优点是它们很容易在凹面上形成，允许它们同时作为色散元素和聚焦光的作用。

凹槽频率：

以nm / mm的形式给出了线性色散。从线性色散,最大光谱范围(λmax -λmin)可以计算出基于探测器的长度(LD),可以计算的总数乘以像素探测器(n)的像素宽度(Wp)的表达式

闪耀角：

作为一种光栅衍射入射多色光，其效率不高。衍射曲线的整体形状主要由凹槽的角度决定，也就是闪耀角度。利用该特性，可以计算出闪耀角对应的峰值效率;这叫做闪耀波长。这个概念如图2 - 1所示，它比较了在500nm、1250nm和2000nm处的三个不同的150g / mm光栅。

Figure 2-1

可以闪耀光栅衍射效率高(> 85%)提供在一个特定的波长,即闪耀波长(λB)。作为一个经验法则,光栅效率将降低50%,报0.6×λB和1.8×λB。这限制了光谱仪的光谱覆盖范围。一般来说，衍射光栅的闪耀波长偏向于光谱范围的弱侧，以提高光谱仪的整体信噪比(SNR)。

Part 4: 光学探头
概述

光学探头用于将光源发出的光传输到样品上，并从样品处将光信号传送回光谱仪。一个光学探头一般由光纤、各种不同的光学组件如斩波器和透镜、以及必要的滤光片。有时我们还会将不同类型的空间的或光谱的滤光片组合到探头内以满足特殊的应用需要。提供多种光学探头以满足透射(吸收)、反射、荧光和拉曼光谱检测的需要。

反射探头:

一个光纤拉曼探头可以将

     薄型背照式

薄型背照式电荷耦合器件（BT—CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术。首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，因此紫外光不必再穿越钝化层。因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。

　　BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部分超过80％，甚至可以达到90％左右。可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽波段检测器件。

◆狭缝

     光源入口。狭缝面积影响通过的光强度。狭缝宽度影响光学分辨率。

◆暗电流

     未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。主要影响因素有温度，电子辐射等。

◆分辨率

    光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散），这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。 另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。狭缝的尺寸有：10，25或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。在指定波长处，狭缝成象到探测器阵列上时会覆盖几个象元。而如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时，分辨率就要由狭缝的宽度（有效宽度）来决定。

    光谱仪分辨率可近似如下度量：    R∝ M·F/W

其中M为光栅线数 ,F为谱仪焦距, W为狭缝宽度。

◆色散

    光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即： Δλ/Δχ=dcosβ/mF

这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2倍。

◆<span style="font-size:7pt;font-family:' line-height:normal;'="">     光栅和闪耀波长

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 

光栅主要参数：

    1. 闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

    2. 光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

    3. 光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

闪耀光栅

    非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的“零级光谱”中，小部分能量分散在其它各级光谱。零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。

    为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状，使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强主最大从原来与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角，称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角b保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅。

◆带宽

    带宽是不考虑光学像差、衍射、狭缝高度、扫描方法、检测器像素宽度等因素，在给定波长从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。

◆波长精度、重复性和准确度

     波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化。

     波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。

     波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。

◆F/#

    F/#定义为光谱仪准直凹面反射镜的直径与焦距的比值。光通过效率与F/#的平方成反比，F/#愈小，光通过率愈高。